首頁 技術文庫 破解半導體差排軌跡　TEM技術找出晶片漏電真因

破解半導體差排軌跡　TEM技術找出晶片漏電真因

發佈日期：2024/4/16 差排軌跡
發佈單位：iST宜特

鮑忠興博士，人稱鮑博，但他笑稱自己為「鮑伯」，享譽國內外的材料分析專家。40多年來深耕於TEM穿透式電子顯微鏡的研究。著有《近代穿透式電子顯微鏡實務》一書，只要研讀過穿透式電鏡的初學者和工程師很難不認識他。這40多年間，鮑博使用過的TEM型號高達十幾種，分析過的材料也遍及金屬、精密陶瓷、半導體元件、生醫材料，以及玉石和汝窯等古物。這次，見證了TEM進化史的鮑博，將集結他的畢生功力，用最生活化口語的方式，為你開講！

在晶片製造過程中，差排是一個相當棘手的問題，這個微小缺陷可能會引發半導體元件的漏電流，進而嚴重影響元件的可靠性。TEM是目前唯一能觀察到微小差排的分析工具。但要充分發揮其威力，需要相當的技術與知識。你會使用TEM這個超級工具分析差排軌跡嗎？今天也讓我們一起解鎖更多TEM技巧吧！
差排軌跡

先前我們提過，第一類半導體材料為矽和锗，由於晶圓提煉技術成熟，單晶晶片中的缺陷密度非常低，通常只有零度空間型的空缺(vacancy)缺陷，而一度空間型的差排(dislocation)缺陷濃度近乎零。（延伸閱讀：氮化鎵磊晶層差排類型分析唯一利器 如何用TEM解開謎團）然而，在離子佈植的製程中，如果熱處理程序不當，就會在半導體元件的主動區殘留一些差排晶體缺陷。主動區內的差排如果穿過p-n 接面就會變成漏電流的通道，降低元件的可靠性。

TEM (穿透式電子顯微鏡，簡稱TEM) / STEM(掃描穿透式電子顯微鏡，簡稱STEM)是目前唯一看得到差排的奈米材料分析技術。透過特定的繞射條件，TEM/STEM影像可以推算差排密度和差排類型[1 ~ 3]，而TEM三維立體成像技術則可以分析差排在三度空間的延伸軌跡 [4 ~ 6]。

本文將探討如何以TEM三維立體成像技術，分析半導體元件矽基板內差排的延伸軌跡。對於漏電型失效的半導體元件，分析差排的延伸軌跡是TEM分析的重要工作。

差排軌跡

差排軌跡

  • 一、TEM三維立體成像技術簡介

    近代TEM/STEM的功能強大，擁有超過十種微奈米材料分析的技術。其中，可以用來分析差排在晶體內部三度空間延伸軌跡的技術有三：TEM斷層掃描術(TEM tomography)[5, 6]、3D TEM和TEM立體影像(TEM stereo)[1, 3]。

    (一) TEM斷層掃描術(TEM tomography)：

    最先進也最精確，但是操作過程過於複雜繁瑣和耗時，主要用於學研界的TEM實驗室，不適於產業界的一般工程師操作，而且試片包含的範圍也通常過於狹小。

    (二) 3D TEM：

    通常是先用平面型試片做第一次TEM觀察，看到差排後對該區塗佈適當的保護層後，再進行一次聚焦離子束(FIB)切割，容易損傷試片，也可能切掉部分差排，導致資料錯誤。

    (三) TEM立體影像(TEM stereo)術：

    相對上述兩者，此技術只需要做一次TEM試片，從二個角度保持同樣的繞射條件觀察，藉由基本的幾何量測與運算，即可描繪出差排的延伸軌跡。此法的試片製備相對簡單許多，成功率較高。

  • 二、遠方海上的帆船

    在遠離海岸的海上有二艘相距不遠的帆船， 如圖1所示，由於距離過遠，無法判斷哪艘在前，哪艘在後。此時，如果海岸上有一足夠大的平坦區域，則可以用簡單的幾何公式，推算二艘帆船的距離。圖2是圖1俯視圖示意圖，LA和LB分別是帆船A與帆船B和海岸上觀察者的距離，L是觀察者平行海岸移動的直線距離，θA和θB分別為帆船A和帆船B和L二端點的夾角。當LA和LB的長度遠大於L時，LA等於(L/θA)，而LB等於(L/θB)。所以只要有一精確度足夠的量角器和量尺，就可以計算出LA和LB到某一定的精確度。

    差排軌跡 量測原裡舉例。在遠離海岸的海上有二艘相距不遠的帆船， 如圖1所示，由於距離過遠，無法判斷哪艘在前，哪艘在後。此時，如果海岸上有一足夠大的平坦區域，則可以用簡單的幾何公式，推算二艘帆船的距離。

    圖1： 遠方海上的二艘帆船，遠近難分。(圖片來源：宜特科技)

    差排軌跡 圖2是圖1俯視圖示意圖，LA和LB分別是帆船A與帆船B和海岸上觀察者的距離，L是觀察者平行海岸移動的直線距離，θA和θB分別為帆船A和帆船B和L二端點的夾角。當LA和LB的長度遠大於L時，LA等於(L/θA)，而LB等於(L/θB)。所以只要有一精確度足夠的量角器和量尺，就可以計算出LA和LB到某一定的精確度。

    圖2：圖1的俯視圖示意圖。(圖片來源：宜特科技)

  • 三、TEM影像的場深和景深

    圖3是一組簡易的薄凸透鏡成像光路圖(ray diagram)，左側標示O的黃色箭頭是物體，右側標示I的藍色箭頭是在成像面的倒立放大實像。固定成像面的位置，前後移動物體在Dfd距離範圍內，在成像面上的影像仍在清晰範圍，此Dfd稱為場深(depth of field)。固定物體的位置，前後移動成像面Dfs距離範圍內，在成像面上的影像仍在清晰範圍，此Dfs稱為景深(depth of focus)；α角是物體中心點連接透鏡邊緣和光軸的夾角。場深和景深是透鏡的解析度與α角的函數。一般而言，操作電壓為200KeV的TEM，其場深和景深分別約為400 nm和1000 m。如此大的場深，意指TEM試片內的結構，從表面到底面都在清晰聚焦，所以單從一張TEM影像無法判斷二個特徵物在試片內的相對深度，如圖4(a)中的黃線和藍線。

    差排軌跡 量測原理說明。圖3是一組簡易的薄凸透鏡成像光路圖(ray diagram)，左側標示O的黃色箭頭是物體，右側標示I的藍色箭頭是在成像面的倒立放大實像。

    圖3：薄凸透鏡成像的簡易光路圖。(圖片來源：宜特科技)

    圖4(a)中的影像對應的顯微結構，可能是圖4(b)，也可能是圖4(c)。也就是說，單從圖4(a)一張影像無法作正確的判斷。如果將試片做如圖5(a)的逆時針傾轉某角度後，得到的第二張影像，此時黃藍二線的間距變大，如圖5(b)所示，則可以推斷樣品的結構是圖4(b)的結構，而非圖4(c)的結構。

    差排軌跡 圖4(a)中的影像對應的顯微結構，可能是圖4(b)，也可能是圖4(c)。也就是說，單從圖4(a)一張影像無法作正確的判斷。如果將試片做如圖5(a)的逆時針傾轉某角度後，得到的第二張影像，此時黃藍二線的間距變大，如圖5(b)所示，則可以推斷樣品的結構是圖4(b)的結構，而非圖4(c)的結構。

    圖4：影像示意圖和可能對應的晶體模型示意圖。 (a) TEM明場影像示意圖；(b)晶體模型示意圖，黃色線在上，藍色線在下；(c)晶體模型示意圖，黃色線在下，藍色線在上 。
    (圖片來源：宜特科技)

    差排軌跡。如果將試片做如圖5(a)的逆時針傾轉某角度後，得到的第二張影像，此時黃藍二線的間距變大，如圖5(b)所示，則可以推斷樣品的結構是圖4(b)的結構，而非圖4(c)的結構。

    圖5：示意圖。(a) TEM試片傾轉示意圖；(b)TEM影像變化示意圖。(圖片來源：宜特科技)

  • 四、差排在晶體內的延伸軌跡

    在材料學上，差排在晶體某個位置產生後，除非形成一封閉迴路(loop)，否則不會終止在晶體內。所以，半導體元件在離子佈植後，因不適當的熱處理 ，而在矽基板接近表面處產生的差排會在矽晶體內延伸。如果這些差排往下延伸穿過p-n界面，則形成一漏電流的通道。

    透過類似圖5(a)中的試片傾轉，差排在試片厚度方向的延伸軌跡可以被分析出來。因為組成差排的矽原子和基材(matrix)的矽原子完全相同，差排在TEM明場像中的明暗對比機構只有繞射對比，所以繞射條件影響了差排的形貌，甚至導致整條差排消失不見。要準確地分析差排，必須採用雙束繞射條件(two beam diffraction condition)，加上適宜的偏移參數(deviation parameter)。所以從二個相距15 ~ 20度的角度分析同一組差排時，必須盡量保持同一種雙束繞射條件，以確保被分析的差排形貌在二張不同角度的TEM明場像中保持大致不變。

    圖6是一組典型的TEM立體影像。圖6(a)是一在[100]正極軸拍攝的TEM明場像，二條待分析的差排分別標示處A和B，右下角鑲嵌的是對應的聚束電子繞射(CBED)圖案。圖6(b)和圖6(c)是以圖6(a)為中心處，往相反方向各傾轉約8度，但保持相同雙束繞射條件的TEM明場像。影像中， A、B二差排的間距，在圖6(b)中明顯小於在圖6(c)中(d1 < d2)；差排A和主動區邊緣(紅色虛線標註處)的距離L，在圖6(b)中則明顯大於在圖6(c)中。以上這些間距變化的現象和圖5中陳述的現象類似，此結果可以初步推論出差排A和差排B在試片的不同深度。

    差排軌跡。圖6是一組典型的TEM立體影像。圖6(a)是一在[100]正極軸拍攝的TEM明場像，二條待分析的差排分別標示處A和B，右下角鑲嵌的是對應的聚束電子繞射(CBED)圖案。圖6(b)和圖6(c)是以圖6(a)為中心處，往相反方向各傾轉約8度，但保持相同雙束繞射條件的TEM明場像。影像中， A、B二差排的間距，在圖6(b)中明顯小於在圖6(c)中(d1 < d2)；差排A和主動區邊緣(紅色虛線標註處)的距離L，在圖6(b)中則明顯大於在圖6(c)中。以上這些間距變化的現象和圖5中陳述的現象類似，此結果可以初步推論出差排A和差排B在試片的不同深度。

    圖6：不同繞射條件下的TEM明場像顯示矽基板內差排形貌和相關位置的改變。 (a) [100] 正極軸；(b) 0 -2 -2雙束條件，方位1；(c) 0 -2 -2雙束條件，方位2。Ref.[7](圖片來源：宜特科技)

    藉由主動區邊緣當參考線，量測差排A和差排B在二影像中轉折點和主動區邊緣的距離，再運用基本的幾何運算，推算出差排A和差排B在矽基板內的延伸軌跡如圖7所示。差排B只在試片表面延伸，但是差排A的深度達260奈米，已經貫穿p-n界面，顯然是此漏電型失效元件的漏電渠道。

    差排軌跡。藉由主動區邊緣當參考線，量測差排A和差排B在二影像中轉折點和主動區邊緣的距離，再運用基本的幾何運算，推算出差排A和差排B在矽基板內的延伸軌跡如圖7所示。差排B只在試片表面延伸，但是差排A的深度達260奈米，已經貫穿p-n界面，顯然是此漏電型失效元件的漏電渠道。

    圖7：差排的延伸軌跡。Ref.[7](圖片來源：宜特科技)

TEM是目前唯一可以分析晶體材料內部晶體缺陷，例如差排等的微奈米材料分析技術。TEM除了可以分析差排的型貌、密度和種類外，藉由TEM立體影像技術還可以分析差排在矽基板內的延伸軌跡，從而判斷該差排是否貫穿p-n界面，形成一個漏電的渠道。若能深入利用TEM的功能，將可更全面地理解材料的微細結構和特性，提高元件異常的分析能力。

宜特材料分析實驗室在半導體製程、先進封裝領域上耕耘已久，有相當豐富的經驗與成功案例。本文與長久支持宜特的您分享，若有相關需求，或是對相關知識想要更進一步了解，歡迎洽詢 marketing_tw@istgroup.com。

參考文獻：

[1] J. W. Edington, Practical Electron Microscopy in Materials Science, Van Nostrand Reinhold Company, New York (1976). ISBN: 0-442-22230-0
[2] G. Thomas and M. J. Goringe, Transmission Electron Microscopy of Materials, John Wiley & Sons, Inc., New York (1979). ISBN: 0-471-122440-0
[3] David B. Williams and C. Barry Carter, in Transmission Electron Microscopy, Microscopy, part 2, Plenum Press, New York (2007). ISBN: 0-471-122440-0
[4] 鮑忠興， “穿透式電鏡三維立體成像術”，科儀新知第三十卷第二期，48-54 (2008)。
[5] G.S. Liu, S.D. House, J. Kacher, M. Tanaka, K. Higashida, I.M. Robertson, “Electron tomography of dislocation structures”, Material Characterization, Vol. 87, 1-14 (2014)
[6] Alexandre Mussi, Ahmed Addad, Fabien Onimus, “Dislocation electron tomography: A technique to characterize the dislocation microstructure evolution in zirconium alloys under irradiation”, Acta Materialia, Vol. 213, 116964 (2021).
[7] J. S. Bow and Speed Yu, “Depth Measurement of Dislocations in Si Substrate by Stereo TEM,” Proc. ISTFA, 233-234 (2005).

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